近日，南方科技大学生命科学学院神经生物学系副教授魏志毅课题组和化学生物学系副教授余聪课题组合作，在国际学术期刊Nature Communications上以“Autoinhibition and activation of myosin VI revealed by its cryo-EM structure”为题发表研究论文，首次解析了细胞内唯一一类沿微丝骨架反向行走的肌球蛋白Myosin VI全长的高分辨率冷冻电镜三维结构，揭示了其自抑制形成的结构基础和货物结合介导的激活机制。该研究是魏志毅课题组继2022年报道Myosin V全长电镜结构后在肌球蛋白研究领域的又一重要发现，进一步阐述了细胞内“快递员”分子——肌球蛋白复杂的活性调控模式。
肌球蛋白（Myosin）超家族是一类在细胞内起着重要作用的蛋白质家族。它们如同微小的“马达”，可以沿微丝行走，负责肌肉收缩、物质运输和力感知等细胞功能。其中，VI型肌球蛋白（Myosin VI）独特之处在于，它是唯一一个在细胞中行走方向与其他肌球蛋白相反的马达分子。因此，Myosin VI在维持细胞内物质循环平衡方面扮演着至关重要的角色，当其功能出现问题时，可能引发失聪和心肌肥大等严重疾病。Myosin VI蛋白有多个不同的部分：N端是一种带有能量释放功能的“马达”结构域，通过这个结构域，它能够沿着微丝骨架移动，从而执行其功能；中间部分是与钙调蛋白（CaM）结合的“杠杆臂”，这一部分决定了Myosin VI行走的步幅大小；C端是一系列结构元件，作为尾部用来与各种不同的“货物”结合（如图1所示）。Myosin VI在没有货物运输的时候，需要形成一种自抑制的关闭状态；但一旦接收到特定的货物运输信号，这一关闭结构就会打开，转变为激活状态，开始执行货物运输任务。虽然在过去20年中，科学家们对Myosin VI各个部分的结构进行了大量研究，但由于缺乏对其整体结构的全面了解，因此对于Myosin VI的“开关”机制，目前科学界仍了解不足。 
图1. 自抑制状态下的Myosin VI的高分辨率冷冻电镜结构
在这项研究中，研究团队通过体外重组表达的方法，纯化了完整的Myosin VI与钙调蛋白（CaM）的蛋白复合物样品。在经过多种条件的筛选和优化后，他们成功获得了Myosin VI分子的近原子分辨率冷冻电镜图像，并搭建出了其分子的精细结构（见图1）。结构分析表明，Myosin VI的各个结构域在整个分子中通过复杂的相互作用参与了自抑制构象的形成。同时，多种导致失聪的相关基因突变可能干扰了这些相互作用的形成，破坏Myosin VI的活性调控，从而引发疾病。
图2. SAH-E作为“刹车”插入并抑制myosin VI头部的ATP酶活性
研究人员在结构解析过程中发现了一个有趣的现象，Myosin VI尾部的单股alpha螺旋延伸区域（SAH-E）能够直接插入到马达分子的头部中，限制其水解ATP的能力，从而像“刹车”一样阻断这一马达分子的运动能力，并使其保持关闭状态（见图2）。这是对细胞骨架马达蛋白研究中，首次观察到通过直接插入活性位点来锁定其头部构象，从而实现活性抑制的方式，极大拓展了对肌球蛋白活性调控机制的理解。
图3. Myosin VI从自抑制到被货物激活发挥不同功能的分子模型
此外，研究人员通过结构对比发现，在自抑制构象中，Myosin VI的货物结合结构域（CBD1和CBD2）内的所有已知货物结合位点都被严格遮蔽，表明在关闭状态下Myosin VI能够有效地防止货物的结合。通过结构分析和生化验证，研究人员还证实了不同货物在激活Myosin VI中可能发挥不同的功能。例如，货物分子GIPC和CLCa可能通过破坏多个相互作用面来打破Myosin VI的自抑制构象，而另一类货物分子Dab2则可以介导Myosin VI二聚体的形成，让其能够在微丝上持续行走。基于此，研究人员提出了Myosin VI从自我抑制到被货物激活的分子模型（见图3）。在该模型中，Myosin VI在不同货物结合的作用下自抑制被解除，然后根据不同货物的结合选择以单体或二聚体形式发挥其运输或连接等生物学功能。
最后，研究人员总结了Myosin VI活性调控的分子基础，并通过与Myosin V和Myosin II等其他肌球蛋白的自抑制结构进行比较，深化了对细胞骨架分子马达蛋白的认识，这一研究成果也进一步为开发针对细胞内物质运输功能失调相关的疾病的预防和治疗方法奠定了理论基础。
南方科技大学生命科学学院研究副教授牛锋锋、硕士研究生李凌烜为论文的第一作者，副教授魏志毅、余聪为论文的通讯作者，南方科技大学为论文的第一单位。本项研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科创委、深港脑科学创新研究院、深圳市生物大分子组装与调控重点实验室、南方科技大学冷冻电镜中心和分析测试中心等的资金或技术支持。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-45424-7
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